在培养肉生产背景下进行表面张力建模

《Journal of Food Engineering》：Surface tension modeling in the context of cultured meat production

本研究探讨肌肉细胞代谢对培养肉表面张力的影响，建立糖分与乳酸浓度相关的数学模型，并通过计算流体动力学模拟验证表面张力变化对营养运输的调控作用，为优化培养系统提供理论依据。

　　

Tomas P. Corrales | Aldonza Jaques | Cristóbal López | Yusser Olguín | Christian Romero | Gilberto Campa?a | Nicole Orellana | Felipe San Martín | Cristian A. Acevedo

智利瓦尔帕莱索，西班牙大道1680号，费德里科·圣玛丽亚技术大学物理系

摘要

培养肉是一种食品技术创新，通过体外培养动物细胞来生产可食用的肌肉组织，为传统的肉类生产提供了一种可持续的替代方案，无需屠宰动物。本研究探讨了培养肉生产过程中表面张力的变化，重点关注肌肉细胞的新陈代谢如何改变培养基的表面张力。实验结果表明，葡萄糖消耗和乳酸生成与表面张力的变化相关，这表明新陈代谢对界面性质有影响。研究人员开发了一个数学模型，用于描述表面张力随乳酸和葡萄糖浓度变化的情况。该模型进一步用于通过表面张力行为推断代谢状态。结合马兰戈尼效应的计算流体动力学（CFD）模拟显示，这些界面流动显著影响了培养环境中的营养物传输。在孔板几何形状下的模拟显示，在高代谢活性下，速度剖面和溶质分布发生了变化，这突显了在质量传递模型中考虑表面张力动态的重要性。将这一知识整合到生物工艺设计中，可以增强肌肉细胞对营养物的吸收，从而优化培养肉的生产。

引言

培养肉是一种食品技术创新，通过体外培养和分化动物细胞来生产可食用的肌肉组织，成为传统肉类生产系统的替代方案（Post, 2014; Handral et al., 2022; Kirsch et al., 2023）。这项技术利用来自产肉牲畜的细胞来生产基于细胞的食品。这些细胞被大量培养，生成在结构和成分上类似于传统肉类的富含蛋白质的组织（Du et al., 2023）。培养过程要求将肌肉细胞维持在富含营养的培养基中，其成分会随着细胞的新陈代谢活动而动态变化。例如，肌肉细胞消耗葡萄糖并产生乳酸，导致培养基成分逐渐发生变化（Luo et al., 2019; Nalbandian et al., 2020）。除了这些生化变化外，培养基的物理化学性质（如表面张力）也会随时间变化。表面张力是流体动力学和界面现象中的关键参数，必须对其依赖性进行彻底研究，以便准确建模、优化和扩大培养肉生产系统的规模。

液体倾向于避免分散并尽量减少其表面积，这是由于分子间作用力的结果。这些力在液体内部得到平衡，但在表面则表现为向物质内部的净吸引力。增加单位面积液体表面积所需的能量定义为表面张力，其依赖于成分浓度这一点早已为人所知。例如糖类（如蔗糖和葡萄糖）在细胞代谢中起关键作用，并且在特定浓度下会改变水的表面张力（Councial et al., 1930, Docoslis et al., 2000）。

培养基的表面张力是一个关键的物理化学参数，会显著影响细胞行为；然而，在细胞培养基的背景下，其作用仍被大大忽视。先前的研究表明，添加生物表面活性剂可以降低培养基的表面张力，但可能会产生细胞毒性效应，无论是否存在血清（Jiang et al., 2014）。此外，组织表面张力被认为是控制细胞过程（如组织形态发生、区室化和伤口愈合）的基本生物物理性质，因为它影响细胞的重新排列和分离（Pajic-Lijakovic et al., 2023a）。尽管表面张力与细胞动态之间存在明确的关系，但在培养基的配方或培养肉生产用生物反应器的设计和操作中，这一参数尚未得到系统考虑。将表面张力纳入这些框架中，可以更好地控制细胞组织和体外组织的发展。

细胞能够产生多种生物分子，这些分子可以改变周围培养基的表面张力。其中包含表面活性蛋白A、B、C和D，它们分别由基因SP-A、SP-B、SP-C和SP-D编码，并且其表面活性特性已被充分研究（Kuroki and Voelker, 1994）。因此，细胞的代谢活动有可能动态调节表面张力，进而影响培养环境中的对流流体流动和营养物传输。理解和预测这些表面张力的变化对于合理设计旨在生产培养肉的生物工艺至关重要，因为这需要精确控制质量传递和组织结构。

营养浓度及其可用性对细胞生长的影响已被广泛研究。众所周知，扩散限制会显著影响细胞行为，包括培养肉生产中的肌肉细胞的增殖和分化（Jaques et al., 2021）。然而，这类系统中的营养物传输不能仅用菲克定律来完全描述。依赖表面张力的现象（如马兰戈尼效应）也在调节营养物可用性方面起着关键作用。马兰戈尼效应源于表面张力的空间梯度——由温度、溶质浓度或气液界面的溶解气体含量的变化驱动——这些梯度会引起对流流动并增强质量传递（Yu et al., 2005）。这一机制已被证明会影响水培养环境中的细胞生长。然而，据作者所知，目前尚不存在描述体外肌肉细胞引起的表面张力动态变化的数学模型。开发此类模型对于提高营养物传输的预测准确性以及优化培养肉生产用生物反应器的设计至关重要。

本研究的目的是实验性地探讨肌肉细胞代谢活动与表面张力动态之间的关系，并利用这一理解来模拟马兰戈尼效应在培养肉生产系统中的影响。在这项工作中，测量了由肌肉细胞活动引起的培养基表面张力动态，同时监测了关键代谢指标，包括细胞生长、葡萄糖摄取和乳酸生成。此外，还开发了一个数学模型，用于描述表面张力作为糖酵解代谢的函数，为理解细胞培养过程中的界面变化提供了预测框架。该模型进一步整合到计算流体动力学（CFD）模拟中，以分析动态条件下的肌肉细胞培养基行为。

细胞培养

肌肉细胞（C2C12肌母细胞系）从欧洲细胞培养物收藏中心（ECACC）购买，并由Sigma-Aldrich（美国）提供。细胞在标准细胞培养条件下培养（37°C和5% CO₂，湿润环境中）。使用的培养基为DMEM（Gibco, Life Technologies, 美国），添加了10%胎牛血清（FBS）、2 mM L-谷氨酰胺以及抗生素（100 U/mL青霉素和100 μg/mL链霉素）。

细胞培养参数的测量

肌肉细胞以每孔2500、5000和7500个细胞的密度接种在96孔板上。

实验结果

肌肉细胞以每孔2500、5000和7500个细胞的密度接种在96孔板上。图1显示了三种细胞密度下的细胞行为，包括细胞生长、葡萄糖摄取、乳酸生成和表面张力随时间的变化。统计分析（双因素方差分析）证实，表面张力（见图1D）随时间（p=0.003）和细胞密度（p<0.001）显著变化，但交互作用项不具有统计学意义（p=0.206）。

结论

在培养肉生产过程中，肌肉细胞通过产生的浓度梯度改变了培养基的表面张力，可能引发马兰戈尼效应。这种现象会影响流体的速度场（如培养肉中使用的培养基），因此在模拟维持肌肉细胞生长的营养物传输时必须考虑这一点。表面张力的变化可以根据葡萄糖和乳酸浓度的变化进行经验估计。

CRediT作者贡献声明

Gilberto Campa?a：研究、数据分析。 Christian Romero：撰写——初稿、可视化、软件开发、研究、数据分析。 Yusser Olguín：方法学、研究。 Cristóbal López：可视化、软件开发、研究、数据分析。 Nicole Orellana：验证、方法学、研究。 Cristian A. Acevedo：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、资源管理、项目协调、方法学、研究、资金申请。

未引用的参考文献

Council, 1930; Post, 2014.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

数据可用性

数据可应要求提供。

致谢

作者感谢ANID（智利）提供的财政支持，具体包括以下拨款：FONDECYT Regular 1251913、FONDECYT Regular 1240757、FONDECYT Regular 1231392以及ANID PIA/APOYO AFB230003。